El mundo de la química

El agua y su mundo

Fascículo 19

¿Podemos vivir sin agua? ¿Te has preguntado alguna vezqué pasaría si dejaras de tomar agua? ¿Cómo haríaspara bañarte; para lavar la ropa que usas diariamente?Haciéndote esas preguntas te darás cuenta de que eselíquido que tan comúnmente usamos, y que a veces talvez no aprecias lo suficiente, rodea muchas actividadesde tu vida. Nuestras células tienen un alto contenido deagua y su presencia es vital para la subsistencia. Es ésteun líquido de gran importancia en nuestra vida y tienepropiedades especiales que irás descubriendo con lalectura de este fascículo.

La enorme dependencia que tenemos todos los organismosvivos del agua ha llamado la atención de científicos,filósofos, poetas y muchos otros pensadores que la hanasociado con la química desde tiempos muy remotos.Algunos, han afirmado incluso, que alrededor del aguaexiste un misterio, un arte y una ciencia.

Históricamente el agua ha servido como base del desarrollode muchas de las poblaciones que hoy en día conocemos.El agua y la civilización no pueden ser separadas. De hecho,la ausencia de agua siempre ha estado asociada con ladesaparición de los seres vivos.

Las primeras civilizaciones nacieron en los valles de losgrandes ríos: el Tigris y el Eufrates en la antiguaMesopotamia, el Nilo en Egipto, el Indo en Pakistán y elYangtsé o Yangtzé en China; sus torrentes hicieron posibleque esas sociedades pasaran de una actividad agrícola desubsistencia a una economía próspera.

En Egipto se crearon los primeros sistemas de riego ydiques que permitieron utilizar, en época de sequía, el aguadel Nilo que había sido almacenada durante el invierno.Igualmente en Mesopotamia (hoy Irak) se logró canalizarel agua de los ríos Tigris y Eufrates para satisfacer elconsumo humano y regar las plantaciones de trigo.

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Importancia del agua

Como el agua siempre ha sido tan importante para loshumanos, no sólo se han desarrollado civilizacionesalrededor de ella, sino que también han nacido muchashistorias, mitos y leyendas.

Uno de los pasajes de la Biblia da cuenta de la división delas aguas del Mar Rojo por parte de Moisés.

La mitología narra que los celtas lanzaban monedas y joyasa los ríos y lagos para agradecer a los dioses porquepensaban que ellos vivían allí.

Los chinos creían que los fantasmas podían atravesar elagua sólo en línea recta, y colocaban puentes en zig-zagpara evitar su llegada.

También en la mitología griega hay muchas asociacionescon el agua. La principal es la de Neptuno, dios de losmares. Otra es la princesa Juturna, quien al no poder evitaruna guerra con los troyanos se ahogó mientras su hermanomoría en batalla. Zeus tuvo piedad de ella y la convirtió enuna ninfa: la diosa de las “aguas tranquilas”. En el ForoRomano, en Italia, existe una fuente sagrada en su honor.

Moises cruzandoel Mar Rojo.

Capilla Sixtina,Roma, Italia.

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A nuestro planeta, la Tierra, se le llama el planetaazul precisamente por la gran extensión de nuestrosocéanos y mares. Tan sólo un 29,2% de la superficiede la Tierra está formada por tierra firme, mientrasque un 70,8% está cubierta por el mar. Esta enormepresencia determina, en buena parte, la existenciade vida en nuestro planeta.

A pesar de que el agua de los mares y océanospareciera ser de color azul o azul-verdoso, el aguaes incolora. El color observado es el resultado defenómenos de difusión, absorción y, sobretodo,reflexión/refracción de la luz que penetra la superficiemarina y oceánica. Así que, por una parte, lo observadodepende de la intensidad de la luz que incide sobrela superficie, la presencia de nubosidad y el estadode agitación del agua. Pero por otra parte, el colorque se ve puede depender fuertemente de laconcentración de partículas, organismos omicroorganismos presentes en suspensión en unazona determinada. Así pues, en la cercanía de ciertascostas y desembocaduras de ríos, el agua parecieraser de color marrón-amarillo y hasta rojizo, productode los sólidos en suspensión que son arrastradosdesde tierra hacia los mares u océanos.

Los organismos microscópicos que presentancoloraciones propias pueden modificar la tonalidad yes así como las aguas del Golfo de California, llamadoMar Bermejo, y las del Mar Rojo tienen un color pardodebido a la presencia de algas, minúsculos animalesdinoflagelados (fitoplancton marino) que poseen estascoloraciones y una elevada concentración de sal,42 ‰ (por mil).

Cuando la cantidad de dinoflagelados coloreadosaumenta en el agua del mar y llegan a existir diezmillones de individuos por milímetro cúbico de agua,entonces forman lo que se conoce con el nombre de"marea roja". En el estado Sucre, por ejemplo, tenemosel caso de Playa Colorada, que recibe ese nombredebido a que sus arenas contienen altos porcentajesde arcilla, haciendo que la playa se vea de color rojizo.En verdad, en ninguno de esos casos el agua escoloreada.

El planeta azul y el color del agua

¿Sabías que...?El agua es indispensable para la vida del ser humano. Es elprincipal agente termoregulador del organismo; permiteconseguir un equilibrio de temperaturas en todo el cuerpo yhace posible la disipación del calor metabólico que observamoscuando realizamos ejercicios fuertes. Nuestro organismo, yel de cualquier otro ser vivo, necesita agua para funcionarnormalmente puesto que tanto las reacciones bioquímicascomo el transporte adecuado de las sustancias tienen lugaren solución acuosa. Además, el agua constituye al menos dosterceras partes del cuerpo humano.

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El ciclo del aguaEl calor del sol hace que el agua delos ríos, océanos, mares y lagos seevapore. Es por ello que el airecontiene una cantidad considerable deagua en forma de vapor, la cual seconoce como humedad atmosférica.Cuando el aire se enfría, el vapor secondensa y el agua se precipita bajoformas diversas (lluvia, nieve, granizo,rocío...). Una parte del agua vuelve acaer sobre el mar, otra circula por losterrenos y se encauza en torrentes yríos que desembocan en mares,océanos y lagos. Y una gran cantidadde ella se infiltra y origina corrientesy lagunas subterráneas que luegoafloran en los manantiales.

Transpiración

Evaporación

Precipitación

LluviaNieve

Escorrentía

Aguas subterráneas

LagoOcéano

Río

En nuestra vida diaria convivimos con los tres estados físicos delagua. Los cambios de estado de la materia fueron consideradosen capítulos anteriores. Un compuesto en estado sólido lo podemospasar al estado líquido por fusión, o al gaseoso directamente porsublimación. Igualmente, se puede pasar del estado líquido algaseoso por evaporación. Todos estos procesos requieren energíapara producirse. Cabe recordar que también los procesos inversosocurren pero con liberación de energía.

El agua posee un intervalo amplio de temperaturas en las que semantiene en estado líquido. Ese intervalo, a presión de una atmósfera(nivel del mar), va desde 0 ºC, temperatura de congelación, a100 ºC que es su temperatura de ebullición. Históricamente, se hantomado las temperaturas de fusión y ebullición del agua comoreferencia de la escala de temperaturas.

Un poco de historiaHenry Cavendish (1731–1810) fue un científico inglés que se destacóprincipalmente por sus aportes a la química y la física. Algunos desu trabajos estuvieron relacionados con la electricidad, para lo cualmidió la fuerza de la corriente eléctrica dándose a sí mismo descargaspara estimar la magnitud del dolor. Además, perfeccionó la técnicade recolección de gases en agua y fue el primero en colocar unnombre a los componentes de ésta. Lavoisier demostró pocodespués que el agua está constituida, exclusivamente, por hidrógenoy oxígeno. Por su parte, Cavendish es muy recordado por sudeterminación de la composición del aire y la densidad media dela Tierra.

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De toda la cantidad de agua que hay en el planeta, solamente el 3% es agua dulce y apenas la mitad de ella espotable. El agua de procedencia natural (de mar, ríos, pozos, lagos o de lluvia) contiene cantidades variables de sales(alcalinas y alcalinotérreas) y gases (dióxido de carbono y aire), además de compuestos orgánicos y microorganismos.Se le considera potable cuando está libre de gérmenes y sustancias químicas dañinas y, por tanto, es apta paraconsumo humano. Debe ser límpida e inodora, fresca y agradable, contener algunos gases y sales disueltos enpequeñas cantidades, pero no debe tener materias orgánicas, gérmenes o bacterias. Para hacer que el agua sea aptapara consumo humano se puede someter a ebullición, filtrado, coagulación, cloración, aereación o destilación. En lamayoría de las grandes ciudades se utiliza una combinación de todos estos métodos en las plantas de tratamiento.

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A pesar de lo simple que pueda parecer comosustancia, el agua tiene propiedades muyinteresantes que determinan que se encuentre enestado líquido y la convierten en elementoindispensable en la vida diaria.

El agua: Compuesto, moléculay estados físicosEl agua pura es inodora, incolora e insípida.Es un compuesto formado por átomos de hidrógenoy oxígeno, y su fórmula química es H2O. En lamolécula de agua los dos átomos de hidrógeno seunen a uno de oxígeno a través de enlacescovalentes (que discutimos en un fascículo anterior),formando una molécula de geometría angular, talcomo se observa en la figura.

¿Qué tipo de compuesto es el agua?átomo de oxígeno

átomo de hidrógenoátomo de hidrógeno

104,5º

104,5º

La estructura geométrica de la molécula de aguase debe a que los dos pares de electrones libres(no enlazados) del átomo de oxígeno crean unadensidad de carga que actúa sobre los dos enlacesH-O obligándolos, por efecto de repulsión decargas, a cerrar el ángulo H-O-H, que forman lostres átomos hasta un valor de 104,5º. Es por elloque el agua presenta una estructura angular envez de una posible estructura lineal como otrasmoléculas triatómicas, por ejemplo, el CO2.

Protón

Neutrón

Electrón

átomo de carbono

átomo de oxígenoátomo de oxígeno

Molécula de glucosa envueltaen una capa hidratadade moléculas de agua

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Un punto importante a considerar es que a nivel físico-químico,mientras en la mayoría de las sustancias la densidad aumenta amedida que la temperatura disminuye, en el caso del agua estose cumple sólo hasta bajar a 4 ºC. Cuando el agua se continúaenfriando por debajo de esta temperatura, la densidad disminuye.Es por ello que el hielo flota en el agua líquida.

Este comportamiento, aparentemente anómalo del hielo, se debea que la estructura generada por interacciones llamadas puenteso enlaces de hidrógeno en estado sólido tiene un volumen molarmayor que aquel que posee en estado líquido. En las figuras semuestran, esquemáticamente, estos enlaces en ambas fases.

Para formar puentes de hidrógeno es necesario que las moléculasposean átomos con electrones no compartidos (como los oxígenosdel agua) y que estos átomos sean muy electronegativos y depequeño tamaño, como el oxígeno, el flúor y el nitrógeno. A pesarde que un puente de hidrógeno no es tan fuerte como un enlacecovalente, es suficientemente resistente para determinar ciertaspropiedades de un estado de la materia intermedio entre el sólidoy el gaseoso, como lo es el estado líquido.

Efectivamente, el agua se presenta en estado líquido, a presiónatmosférica en el intervalo de temperatura conocido, porque susmoléculas están unidas entre sí por enlaces de hidrógeno, talcomo fue sugerido por Linus Pauling (foto). Estos puentes favorecenla unión de las moléculas y, como resultado, el agua líquida tieneuna estructura relativamente ordenada (figura), y muy estable enun intervalo de temperaturas amplio. Los puentes de hidrógenose forman y se rompen de manera continua a una velocidad queoscila entre una milmillonésima de segundo (un picosegundo) yuna billonésima de segundo (un femtosegundo).

Cuando el agua pasa al estado sólido, es decir cuando se convierteen hielo, por efecto de la disminución de la temperatura lasmoléculas se organizan en una estructura que a pesar de sercompacta tiene un mayor volumen. Tal como observas en la imagen,cada molécula de agua se enlaza con otras cuatro a través depuentes de hidrógeno. Por lo tanto, en un volumen dado de hielohay menos moléculas de agua que en el mismo volumen de agualíquida. Este es el motivo por el cual cuando el agua se congelasu volumen aumenta y como consecuencia el hielo formado alcongelarse el agua a 0 ºC flota sobre ésta. Es también por estarazón que se rompen los envases de vidrio cuando se congelanbotellas completamente llenas de agua.

El puente de hidrógeno y el agua

InteresanteGracias a la particularidad de que el hielo flota sobre el agua es quemuchas especies vivas pueden sobrevivir bajo mares congelados enaquellos países donde las temperaturas descienden considerablementeen invierno. En los mares y lagos se congela primero la capa superficialde las aguas, quedando por debajo del hielo agua líquida, cuyatemperatura aumenta con la profundidad, llegando a ser de 4 ºC enel fondo. Durante los meses invernales, este fenómeno permite elmantenimiento de la vida vegetal y animal en el agua.

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El agua es un regulador térmico muy estableLa capacidad del agua para modificar su temperatura depende desu calor específico (cantidad de calor que se debe absorber operder para que 1g de sustancia cambie su temperatura en 1 ºC).

El calor específico del agua es muy alto comparado con la mayoríade las sustancias. Por ello cambia su temperatura muy lentamente.Si tocas una olla donde se está calentando agua, te quemas eldedo mucho antes de que el agua comience a evaporarse debidoa que el calor específico del agua es 10 veces mayor que el delhierro. Además, para evaporar un gramo de agua hace faltaaproximadamente siete veces más calor que para fundirlo. Éstaes una propiedad relacionada con los puentes de hidrógeno, yaque la energía en forma de calor que se suministra al agua cuandose calienta, se utiliza para romper los puentes de hidrógenoexistentes y para aumentar la energía cinética de las moléculasde agua.

Este fenómeno afecta enormemente a nuestro planeta, porquecuando la temperatura aumenta apenas un poco, las grandesmasas de agua absorben y almacenan una gran cantidad de calor.

En los países en los que hay invierno, el enfriamiento gradual delagua calienta el aire y hace el invierno menos cruel. Es por ellotambién que los cambios estacionales en las zonas costeras sonmenos radicales que en las regiones internas. Además, elenfriamiento gradual del agua ayuda a que las temperaturas enlos océanos puedan ser bastante estables, lo que favorece la vidamarina.

El agua que cubre nuestro planeta mantiene los cambios detemperatura dentro de límites que permiten la vida, y, como nosotrosestamos hechos principalmente de agua, tenemos mayor capacidadpara resistir los cambios estacionales que si estuviéramoscompuestos por otro líquido con menor calor específico.

Si se pretendiera descomponer el agua en sus constituyentes,hidrógeno y oxígeno, se requeriría una gran cantidad de energíapara lograrlo, mucho mayor que la energía necesaria para fundirla,calentarla o evaporarla, dado que para el agua sus enlacesintramoleculares son más fuertes que los intermoleculares.

Para pensarTe has preguntado por qué la ropa o tu cuerpo ¿se seca al airelibre con o sin sol? ¿Qué le ocurre al agua que moja la ropa o elcuerpo, por qué es más rápida con sol que sin sol?

Media de evaporacion potencial 1979-95

(W/m2/s)

0 100 200 300 400 500 600 700 800

La evaporación potencial está definida como lacantidad de agua que puede ser evaporada dondese encuentre disponible. En el mapa destacanlas zonas desérticas ya que su potencial deevaporación es muy alto.

Agua: Un solvente como pocos

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Otra de las características principales del agua es que disuelvemuchas y muy variadas sustancias, de tal manera que el mares una inmensa solución de diversos solutos (por ejemploO2, NaCl, entre muchos otros). El agua es considerada pormuchos como el solvente (disolvente) perfecto. Sin duda, elagua es el solvente más común de nuestro planeta y es capazde disolver muchas sustancias, pero no todas.

Los compuestos iónicos como el NaCl y covalentes polarescomo el HCl son generalmente solubles en agua y en solventescon propiedades similares a ella, mientras que los compuestoscovalentes –no polares– (hidrocarburos) lo son en solventessimilares a los aceites. Al agua y a los solventes similares seles denomina polares, mientras que al aceite y a aquellos quese le parecen se les denomina no polares. Los líquidos polares,agua y alcohol, por ejemplo, son solubles (miscibles) entresí. De igual manera son miscibles entre sí los no polares, porejemplo, aceite y kerosene, pero el aceite y el agua soninmiscibles, pues el primero es polar y el segundo no.

Solubilidad en aguaOtro punto importante es que a pesar de que hay compuestosmuy solubles en agua, como la sal y el azúcar, su solubilidadno es ilimitada. Ella depende de la naturaleza química delsoluto y de la temperatura. ¿Puedes decir dónde es más fácilpreparar “agua de azúcar”, en agua helada o en agua atemperatura ambiente?

En el caso de solutos gaseosos, la solubilidad también dependede la presión. A diferencia de lo que ocurre con la mayoríade los sólidos en agua, que su solubilidad crece con el aumentode la temperatura, ocurre lo contrario con los gases. ¿Sabescuándo se libera más gas de una malta, cuando la abres fríao cuando lo haces a temperatura ambiente?

Por cada temperatura existe un máximo de soluto que sepuede disolver en una cantidad determinada de agua. A estemáximo se le conoce como solubilidad de un soluto a dichatemperatura y se expresa generalmente en gramos de solutopor cada 100 g de agua. Se dice entonces que la soluciónestá saturada a dicha temperatura. Mientras que por debajode este valor la solución es insaturada o no está saturada ala temperatura considerada.

Cuando una solución saturada de un sólido es enfriadacuidadosamente llega a contener más soluto de la que elagua puede disolver a esa temperatura. En estos casos sedice que la solución está sobresaturada. Esta es una condicióninestable de las soluciones ya que si se la agita bruscamente,si se raspan las paredes del envase que la contiene con unagitador de vidrio o si se le agrega un cristal de la sustanciaque se está disolviendo, todo el exceso de soluto abandonarála solución dejando en ella sólo la cantidad de soluto quepuede disolver el disolvente (agua en este caso) a esatemperatura. Después de la precipitación del exceso de soluto,quedará una solución saturada y en el fondo soluto sólido.

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Dissolving.Cai Xiaohua, pintor chino.

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